JP2007208817A - Solid-state imaging apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor memory device capable of area reduction and a data reading method thereof. <P>SOLUTION: A solid-state imaging apparatus is provided on a semiconductor substrate 1 and comprises a plurality of pixels including a photo-detection unit 2 for performing photoelectric conversion on incident light and a plurality of lenses 5 for converging incident light L1 onto the photo-detection unit 2, wherein each of the lenses 5 has a fixed curvature ratio on an incident plane of the incident light L1 and top-most vertices P1 on the incident plane of the lens 5 are located in a center C1 on bottom faces of the lenses 5 and at different positions in the direction horizontal to the bottom faces. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は、固体撮像装置に関する。特に、固体撮像装置において画素に入射される光を集光するマイクロレンズに関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device. In particular, the present invention relates to a microlens that collects light incident on pixels in a solid-state imaging device.

電子カメラの小型化には、イメージエリアの縮小を行って光学系の小型化を行うことが有効である。このため、CMOSセンサの画素サイズのシュリンクが要求されている。従来、画素サイズのシュリンクを行うため、複数のフォトダイオードで画素内のトランジスタを共有し、フォトダイオードあたりのトランジスタ数を削減する試みが行われている(例えば特許文献1参照)。   To reduce the size of an electronic camera, it is effective to reduce the size of the optical system by reducing the image area. For this reason, shrinkage of the pixel size of the CMOS sensor is required. Conventionally, in order to perform pixel size shrinking, attempts have been made to reduce the number of transistors per photodiode by sharing the transistors in the pixel with a plurality of photodiodes (see, for example, Patent Document 1).

上記従来のCMOSセンサは、入射光を集光するマイクロレンズと、マイクロレンズによって集光された入射光を電荷に変換するフォトダイオードとを有している。通常、マイクロレンズの断面形状は左右対称である(例えば特許文献2参照)。従って、焦点の位置は、マイクロレンズの頂点直下、すなわちマイクロレンズの底面のほぼ中心直下に位置することになる。   The conventional CMOS sensor includes a microlens that collects incident light and a photodiode that converts incident light collected by the microlens into electric charges. Usually, the cross-sectional shape of the microlens is bilaterally symmetric (see, for example, Patent Document 2). Therefore, the position of the focal point is located immediately below the apex of the microlens, that is, almost directly below the center of the bottom surface of the microlens.

しかし上記構成であると、マイクロレンズは等間隔で配置されているので焦点の位置も等間隔となる。その結果、フォトダイオードに隣接するMOSトランジスタのゲートによって入射光が遮られ、CMOSエリアセンサの光感度が低下するという問題があった。
特開平10−150182号公報 特公昭60−59752号公報
However, with the above configuration, since the microlenses are arranged at equal intervals, the positions of the focal points are also equal. As a result, incident light is blocked by the gate of the MOS transistor adjacent to the photodiode, and the photosensitivity of the CMOS area sensor is lowered.
JP-A-10-150182 Japanese Patent Publication No. 60-59752

この発明は、光感度の低下を抑制出来る固体撮像装置を提供する。   The present invention provides a solid-state imaging device capable of suppressing a decrease in photosensitivity.

この発明の第1の態様に係る固体撮像装置は、半導体基板上に設けられ、入射光を光電変換する光検出部を含む複数の画素と、前記光検出部上に前記入射光を集光する複数のレンズとを具備し、前記レンズは前記入射光の入射面において一定の曲率を有し、且つ前記レンズの前記入射面における頂点は、前記レンズの底面の中央と、前記底面に対して水平な方向において異なる位置にある。   A solid-state imaging device according to a first aspect of the present invention is provided on a semiconductor substrate and condenses the incident light on a plurality of pixels including a light detection unit that photoelectrically converts incident light and the light detection unit. A plurality of lenses, the lens having a constant curvature at the incident surface of the incident light, and the vertex of the incident surface of the lens is horizontal to the center of the bottom surface of the lens and the bottom surface In different directions.

またこの発明の第2の態様に係る固体撮像装置は、半導体基板上に設けられ、入射光を光電変換する光検出部を含む画素と、複数の前記画素が二次元に配置された受光面と、前記受光面上に設けられ、前記光検出部上に前記入射光を集光する複数のレンズとを具備し、各々の前記レンズは、前記入射光が入射する入射面において一定の曲率を有し、且つ前記受光面の中央部に位置する前記レンズの曲率は、前記受光面の周辺部に位置する前記レンズの曲率よりも大きい。   A solid-state imaging device according to a second aspect of the present invention is provided on a semiconductor substrate, includes a pixel including a light detection unit that photoelectrically converts incident light, and a light receiving surface on which the plurality of pixels are two-dimensionally arranged. A plurality of lenses that are provided on the light receiving surface and collect the incident light on the light detection unit, and each of the lenses has a constant curvature on the incident surface on which the incident light is incident. In addition, the curvature of the lens located at the center of the light receiving surface is larger than the curvature of the lens located at the periphery of the light receiving surface.

本発明によれば、光感度の低下を抑制出来る固体撮像装置を提供出来る。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solid-state imaging device which can suppress the fall of photosensitivity can be provided.

以下、この発明の実施形態を図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description, common parts are denoted by common reference symbols throughout the drawings.

この発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置について図1及び図2を用いて説明する。図1及び図2はそれぞれ本実施形態に係る固体撮像装置の断面図及び平面図であり、固体撮像装置のイメージエリアの特に中心部について示している。また図1は図2におけるX1−X1’線に沿った断面図に相当する。   A solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2 are a cross-sectional view and a plan view of the solid-state imaging device according to the present embodiment, respectively, particularly showing the central portion of the image area of the solid-state imaging device. 1 corresponds to a cross-sectional view taken along line X1-X1 'in FIG.

図示するように半導体基板1の表面内には複数のフォトダイオード2が設けられている。フォトダイオード2は、半導体基板1の表面内に、例えばイオン注入等の方法によって半導体基板1と反対導電型の不純物を導入することによって形成される。隣接するフォトダイオード2間の半導体基板1上には、ゲート電極3がゲート絶縁膜を介在して設けられている。そして上記フォトダイオード2及びゲート電極3を被覆するようにして、半導体基板1上には絶縁膜4が設けられている。絶縁膜4上には、各フォトダイオード2に対応するようにしてマイクロレンズ5が設けられている。上記構成において、各々が1つのフォトダイオードを含んで複数の画素が構成されている。   As shown in the figure, a plurality of photodiodes 2 are provided in the surface of the semiconductor substrate 1. The photodiode 2 is formed by introducing impurities having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate 1 into the surface of the semiconductor substrate 1 by a method such as ion implantation. On the semiconductor substrate 1 between adjacent photodiodes 2, a gate electrode 3 is provided with a gate insulating film interposed. An insulating film 4 is provided on the semiconductor substrate 1 so as to cover the photodiode 2 and the gate electrode 3. Microlenses 5 are provided on the insulating film 4 so as to correspond to the respective photodiodes 2. In the above structure, a plurality of pixels are formed, each including one photodiode.

本実施形態に係るマイクロレンズ5の頂点P1は、マイクロレンズ5の一端から距離d1の位置にあり、且つマイクロレンズ5の他端から距離d2(≠d1)の位置にある。従って、頂点P1の位置は、マイクロレンズ5の底面に対する水平方向において、底面の中央C1と異なる位置にある。換言すれば、マイクロレンズ5の頂点P1、すなわち焦点F1は、マイクロレンズ5の底面の中央C1を含む底面に対する垂線上からd3だけずれた位置に存在する(図2参照)。更に言い換えれば、図1に示すようにマイクロレンズ5は、左右非対称の断面形状を有している。なお頂点P1とは、マイクロレンズ5において膜厚が最も大きい位置であると定義する。またマイクロレンズ5は、入射光L1が入射する入射面において、均一の曲率を有しており、その曲率は焦点F1がフォトダイオード2表面に位置するように設定されている。   The apex P1 of the microlens 5 according to the present embodiment is located at a distance d1 from one end of the microlens 5 and at a distance d2 (≠ d1) from the other end of the microlens 5. Accordingly, the position of the vertex P1 is different from the center C1 of the bottom surface in the horizontal direction with respect to the bottom surface of the microlens 5. In other words, the apex P1 of the microlens 5, that is, the focal point F1, exists at a position shifted by d3 from the perpendicular to the bottom surface including the center C1 of the bottom surface of the microlens 5 (see FIG. 2). In other words, as shown in FIG. 1, the microlens 5 has a left-right asymmetric cross-sectional shape. The vertex P1 is defined as the position where the film thickness is the largest in the microlens 5. The microlens 5 has a uniform curvature on the incident surface on which the incident light L1 is incident, and the curvature is set so that the focal point F1 is located on the surface of the photodiode 2.

またマイクロレンズ5の頂点P1は、フォトダイオード2とゲート電極3とが並ぶ方向において、マイクロレンズ5の中心C1を挟んでゲート電極3に対向するように位置する。すなわち、マイクロレンズ5の頂点P1は、フォトダイオード2とゲート電極3とが並ぶ方向において、ゲート電極3に近い方の端部(一端)と遠い方の端部(他端)のうち、遠い方の端部側に設けられる。つまり図2において、フォトダイオード2及びゲート電極3が並ぶ方向に沿って、P1、C1、ゲート電極3の順に並ぶように頂点P1が設けられる。   The apex P1 of the microlens 5 is positioned so as to face the gate electrode 3 across the center C1 of the microlens 5 in the direction in which the photodiode 2 and the gate electrode 3 are arranged. That is, the apex P1 of the microlens 5 is the farther of the end (one end) closer to the gate electrode 3 and the far end (the other end) in the direction in which the photodiode 2 and the gate electrode 3 are arranged. Is provided on the end side. That is, in FIG. 2, the apex P <b> 1 is provided so that P <b> 1, C <b> 1 and the gate electrode 3 are arranged in this order along the direction in which the photodiode 2 and the gate electrode 3 are arranged.

上記構成において。入射光L1がマイクロレンズ5に到達すると、入射光L1はスネルの法則に従って屈折する。屈折した入射光L1は、各マイクロレンズ5に対応したフォトダイオード2上に像を結ぶ。フォトダイオード2は入射された光L1を光電変換によって電荷に変換する。   In the above configuration. When the incident light L1 reaches the microlens 5, the incident light L1 is refracted according to Snell's law. The refracted incident light L1 forms an image on the photodiode 2 corresponding to each microlens 5. The photodiode 2 converts the incident light L1 into electric charge by photoelectric conversion.

上記構成によれば、下記(1)の効果が得られる。
(1)固体撮像装置の光感度の低下を抑制出来る(その1)。
本実施形態に係る構成であると、フォトダイオード上に入射光を集光するマイクロレンズ底面に水平な方向において、該マイクロレンズの頂点が底面の中心とずれた位置にある。従って、固体撮像装置の光感度の低下を抑制出来る。本効果について以下詳細に説明する。
According to the above configuration, the following effect (1) can be obtained.
(1) A decrease in light sensitivity of the solid-state imaging device can be suppressed (part 1).
With the configuration according to the present embodiment, the apex of the microlens is shifted from the center of the bottom surface in a direction horizontal to the bottom surface of the microlens that collects incident light on the photodiode. Accordingly, it is possible to suppress a decrease in light sensitivity of the solid-state imaging device. This effect will be described in detail below.

図3は従来の固体撮像装置の断面図である。図示するように半導体基板101の表面内にフォトダイオード102が設けられ、隣接するフォトダイオード102間の半導体基板101上にはゲート電極103が設けられている。そしてフォトダイオード102及びゲート電極103を被覆するようにして半導体基板101上に絶縁膜104が設けられ、絶縁膜104上にマイクロレンズ105が設けられている。従来構成におけるマイクロレンズ105は、その断面形状が頂点P101に対して左右対称である。つまりマイクロレンズ105の頂点P101は、フォトダイオード102とゲート電極103とが並ぶ方向におけるマイクロレンズ105の両端から等しい距離に位置する。従って、マイクロレンズ105の頂点P101、底面の中心C101、及び焦点F101の全ては、フォトダイオード102表面からの垂線上に位置する。   FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional solid-state imaging device. As shown in the figure, a photodiode 102 is provided on the surface of a semiconductor substrate 101, and a gate electrode 103 is provided on the semiconductor substrate 101 between adjacent photodiodes 102. An insulating film 104 is provided on the semiconductor substrate 101 so as to cover the photodiode 102 and the gate electrode 103, and a microlens 105 is provided on the insulating film 104. The microlens 105 in the conventional configuration has a cross-sectional shape that is symmetrical with respect to the vertex P101. That is, the apex P101 of the microlens 105 is located at an equal distance from both ends of the microlens 105 in the direction in which the photodiode 102 and the gate electrode 103 are arranged. Accordingly, all of the vertex P101, the center C101 of the bottom surface, and the focal point F101 of the microlens 105 are located on a perpendicular line from the surface of the photodiode 102.

すると、マイクロレンズ105は等間隔で配置されているため、焦点F101の位置も等間隔となる。他方、フォトダイオード102の配置は等間隔でなく、ゲート電極103を挟む領域では間隔が広く、ゲート電極を挟まない領域では間隔が狭い。その結果、マイクロレンズ105で集光された入射光L101は、その一部がゲート電極103に遮られる(図3における領域A101)。そのため、固体撮像装置の光感度が低下するという問題があった。   Then, since the microlenses 105 are arranged at equal intervals, the positions of the focal points F101 are also equal. On the other hand, the photodiodes 102 are not arranged at regular intervals, the intervals are wide in the region sandwiching the gate electrode 103, and the intervals are narrow in the region not sandwiching the gate electrode. As a result, part of the incident light L101 collected by the microlens 105 is blocked by the gate electrode 103 (region A101 in FIG. 3). Therefore, there has been a problem that the photosensitivity of the solid-state imaging device is lowered.

これに対して本実施形態に係る構成であると、マイクロレンズ5の頂点P1は、マイクロレンズ5の底面に対して水平方向において(すなわち、フォトダイオード2表面に対して水平方向において)、マイクロレンズ5底面の中心C1とずれた位置にある。従って、マイクロレンズ5は等間隔で配置されているが、各マイクロレンズ5の焦点位置は等間隔ではない。より具体的には、図2で説明したようにマイクロレンズ5の頂点P1は、フォトダイオード2とゲート電極3とが並ぶ方向において、ゲート電極3に近い方の端部(一端)と遠い方の端部(他端)のうち、遠い方の端部側に設けられる。従って、マイクロレンズ5の焦点位置は、従来に比べてゲート電極3から遠い位置となる。そのため、マイクロレンズ5で集光された入射光L1はゲート電極3の角部(図1における領域A1)を避けるようにしてフォトダイオード2へ入射する。また、例え遮られたとしても従来に比べてその量は少なくて済む。その結果、より多くの光がフォトダイオード2へ入射することとなり、固体撮像装置の光感度の低下を抑制出来る。   On the other hand, in the configuration according to the present embodiment, the apex P1 of the microlens 5 is in the horizontal direction with respect to the bottom surface of the microlens 5 (that is, in the horizontal direction with respect to the surface of the photodiode 2). 5 is at a position shifted from the center C1 of the bottom surface. Therefore, although the microlenses 5 are arranged at equal intervals, the focal positions of the microlenses 5 are not equally spaced. More specifically, as described with reference to FIG. 2, the apex P1 of the microlens 5 is in the direction in which the photodiode 2 and the gate electrode 3 are arranged, and the end (one end) closer to the gate electrode 3 and the far end. Of the end portions (the other end), it is provided on the far end side. Therefore, the focal position of the microlens 5 is far from the gate electrode 3 as compared with the conventional case. Therefore, the incident light L1 collected by the microlens 5 enters the photodiode 2 so as to avoid the corner portion (region A1 in FIG. 1) of the gate electrode 3. Moreover, even if it is obstructed, the amount is smaller than in the conventional case. As a result, more light is incident on the photodiode 2, and a decrease in light sensitivity of the solid-state imaging device can be suppressed.

次にこの発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置について図4を用いて説明する。図4は本実施形態に係る固体撮像装置の断面図である。本実施形態は、上記第1の実施形態において絶縁膜4内に金属配線層が設けられている場合に関するものである。   Next, a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of the solid-state imaging device according to this embodiment. This embodiment relates to a case where a metal wiring layer is provided in the insulating film 4 in the first embodiment.

図示するように本実施形態に係る固体撮像装置は、第1の実施形態で説明した図1の構成において、絶縁膜4内に設けられた複数の金属配線層6を更に備えている。なお金属配線層6は、図面を記載した紙面の垂線方向に延びるように形成されているものとする。また図4ではゲート電極3の図示を省略している。本実施形態に係るマイクロレンズ5の頂点P2は、マイクロレンズ5の一端から距離d4の位置にあり、且つマイクロレンズ5の他端から距離d5(>d4)の位置にある。図5及び図6は図4における1つの画素の拡大図であり、それぞれ断面及び平面構造を示しており、図5は図6におけるX2−X2’線に沿った断面に相当する。   As shown in the drawing, the solid-state imaging device according to the present embodiment further includes a plurality of metal wiring layers 6 provided in the insulating film 4 in the configuration of FIG. 1 described in the first embodiment. It is assumed that the metal wiring layer 6 is formed so as to extend in the direction perpendicular to the paper on which the drawing is illustrated. In FIG. 4, the gate electrode 3 is not shown. The apex P2 of the microlens 5 according to the present embodiment is located at a distance d4 from one end of the microlens 5 and at a distance d5 (> d4) from the other end of the microlens 5. 5 and FIG. 6 are enlarged views of one pixel in FIG. 4 and show a cross section and a planar structure, respectively, and FIG. 5 corresponds to a cross section along the line X2-X2 'in FIG.

図5及び図6に示すように、マイクロレンズ5の底面に対する水平方向において、マイクロレンズ5の頂点P2、すなわち焦点F2は、マイクロレンズ5の底面の中央C2を含むマイクロレンズ5底面に対する垂線V1から距離d6だけずれた位置に存在する。すなわち、第1の実施形態と同様にマイクロレンズ5は左右非対称の断面形状を有している。勿論、マイクロレンズ5は入射光L2が入射する入射面において均一の曲率を有している。   As shown in FIGS. 5 and 6, in the horizontal direction with respect to the bottom surface of the microlens 5, the apex P <b> 2 of the microlens 5, that is, the focal point F <b> 2 is from a perpendicular line V <b> 1 to the bottom surface of the microlens 5 including the center C <b> 2 of the bottom surface of the microlens 5. It exists at a position shifted by a distance d6. That is, as in the first embodiment, the microlens 5 has a left-right asymmetric cross-sectional shape. Of course, the microlens 5 has a uniform curvature on the incident surface on which the incident light L2 is incident.

また、垂線V1を挟んで位置する2つの金属配線層6の垂線V1との距離をd7、d8(d7<d8)とすると、垂線V1に近い一方の金属配線層6を配線W1、遠い金属配線層6を配線W2と呼ぶことにする。すると、マイクロレンズ5の頂点P2は、垂線V1を挟んで配線W1と対向するように位置している。換言すれば、マイクロレンズ5の頂点P2と焦点F2とを結ぶ直線V2は、配線W2と垂線V1との間に位置している。   Further, when the distance between the perpendicular line V1 of the two metal wiring layers 6 located across the perpendicular line V1 is d7 and d8 (d7 <d8), the one metal wiring layer 6 close to the perpendicular line V1 is the wiring W1 and the distant metal wiring. The layer 6 will be referred to as a wiring W2. Then, the apex P2 of the micro lens 5 is positioned so as to face the wiring W1 with the perpendicular V1 interposed therebetween. In other words, the straight line V2 connecting the vertex P2 of the microlens 5 and the focal point F2 is located between the wiring W2 and the perpendicular line V1.

上記構成によれば、下記(2)の効果が得られる。
(2)固体撮像装置の光感度の低下を抑制出来る(その2)。
本実施形態に係る構成であると、マイクロレンズ5の頂点P2は、第1の実施形態と同様にマイクロレンズ5の底面に対して水平方向において、マイクロレンズ5底面の中心C2とずれた位置にある。従って、マイクロレンズ5は等間隔で配置されているが、各マイクロレンズ5の焦点位置は等間隔ではない。より具体的には、図5及び図6で説明したように、マイクロレンズ5の底面に対する水平方向においてマイクロレンズ5の頂点P2は、画素の中心を通る垂線V1を挟んで位置する2つの金属配線層6のうち、垂線V1に遠い方の配線W2に近接するように設けられている。従って、マイクロレンズ5の焦点位置は、従来に比べて配線W1から遠い位置となる。そのため、マイクロレンズ5で集光された入射光L2は金属配線層6、特に配線W1の角部を避けるようにしてフォトダイオード2へ入射する。また、例え遮られたとしても従来に比べてその量は少なくて済む。その結果、より多くの光がフォトダイオード2へ入射することとなり、固体撮像装置の光感度の低下を抑制出来る。
According to the above configuration, the following effect (2) can be obtained.
(2) A decrease in light sensitivity of the solid-state imaging device can be suppressed (part 2).
With the configuration according to the present embodiment, the apex P2 of the microlens 5 is shifted from the center C2 of the bottom surface of the microlens 5 in the horizontal direction with respect to the bottom surface of the microlens 5 as in the first embodiment. is there. Therefore, although the microlenses 5 are arranged at equal intervals, the focal positions of the microlenses 5 are not equally spaced. More specifically, as described with reference to FIGS. 5 and 6, the apex P2 of the microlens 5 in the horizontal direction with respect to the bottom surface of the microlens 5 is two metal wirings located across a perpendicular line V1 passing through the center of the pixel. The layer 6 is provided so as to be close to the wiring W2 far from the vertical line V1. Therefore, the focal position of the microlens 5 is far from the wiring W1 as compared with the conventional case. Therefore, the incident light L2 collected by the microlens 5 is incident on the photodiode 2 so as to avoid the metal wiring layer 6, particularly the corner of the wiring W1. Moreover, even if it is obstructed, the amount is smaller than in the conventional case. As a result, more light is incident on the photodiode 2, and a decrease in light sensitivity of the solid-state imaging device can be suppressed.

つまり、上記第1の実施形態と同様の作用により、入射光L2が金属配線層6に遮られることを防止する。しかし、金属配線層6は第1の実施形態で説明したゲート電極よりも上のレベルにある、すなわちマイクロレンズ5により近い位置にあることが通常である。従って、金属配線層6はゲート電極よりも入射光L2を遮りやすい。従って、本実施形態に係るマイクロレンズ5を用いることは、第1の実施形態の場合よりもより効果がある。   That is, the incident light L2 is prevented from being blocked by the metal wiring layer 6 by the same action as in the first embodiment. However, the metal wiring layer 6 is usually at a level above the gate electrode described in the first embodiment, that is, at a position closer to the microlens 5. Therefore, the metal wiring layer 6 is easier to block the incident light L2 than the gate electrode. Therefore, using the microlens 5 according to the present embodiment is more effective than the case of the first embodiment.

次にこの発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態は、上記第1、第2の実施形態で説明したマイクロレンズ5を、2つのフォトダイオードで増幅トランジスタを共用する固体撮像装置に適用したものである。図7は固体撮像装置のブロック図である。   Next, a solid-state imaging device according to a third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the microlens 5 described in the first and second embodiments is applied to a solid-state imaging device in which two photodiodes share an amplification transistor. FIG. 7 is a block diagram of the solid-state imaging device.

図示するように固体撮像装置10は、クランプ回路11、サンプルホールド回路12、垂直方向選択回路13、水平方向選択回路14、及び受光部20を備えている。
受光部20は、入射光の光電変換を行うユニットセル21を複数備えている。図7においては、ユニットセル21は(2×3)個しか示されていないが、その数は特に限定されるものではない。複数のユニットセル21はマトリクス状に配置され、垂直信号線22に列毎に共通接続されている。また同一行のユニットセル21は、同一のアドレス信号線AD、リセット信号線RS、及び読み出し信号線RD1、RD2に共通接続される。アドレス信号線AD、リセット信号線RS、及び読み出し信号線RD1、RD2は、垂直方向選択回路13によって選択される。
As illustrated, the solid-state imaging device 10 includes a clamp circuit 11, a sample hold circuit 12, a vertical direction selection circuit 13, a horizontal direction selection circuit 14, and a light receiving unit 20.
The light receiving unit 20 includes a plurality of unit cells 21 that perform photoelectric conversion of incident light. In FIG. 7, only (2 × 3) unit cells 21 are shown, but the number is not particularly limited. The plurality of unit cells 21 are arranged in a matrix and commonly connected to the vertical signal line 22 for each column. The unit cells 21 in the same row are commonly connected to the same address signal line AD, reset signal line RS, and read signal lines RD1 and RD2. The address signal line AD, the reset signal line RS, and the read signal lines RD1 and RD2 are selected by the vertical direction selection circuit 13.

クランプ回路11は、各垂直信号線22の一端に接続されており、垂直信号線22に読み出された信号をクランプする。なお、垂直信号線22の他端はロードトランジスタ23を介して接地電位に接続されている。   The clamp circuit 11 is connected to one end of each vertical signal line 22 and clamps the signal read out to the vertical signal line 22. The other end of the vertical signal line 22 is connected to the ground potential via the load transistor 23.

サンプルホールド回路12は、上記クランプ回路11でクランプされた信号を標本化して保持する。そして、サンプルホールド回路12で保持された信号は、読み出し用トランジスタ24を介して出力ノードOUTに出力される。読み出し用トランジスタ24のゲートは、水平方向選択回路14によって制御される。   The sample hold circuit 12 samples and holds the signal clamped by the clamp circuit 11. The signal held by the sample hold circuit 12 is output to the output node OUT via the read transistor 24. The gate of the reading transistor 24 is controlled by the horizontal direction selection circuit 14.

次にユニットセル21の構成について図8を用いて説明する。図8は図7における1つのユニットセル21の回路図である。図示するようにユニットセル21は、2つの画素25、25と1つの信号出力部27とを備えている。画素25の各々は、読み出しトランジスタ28とフォトダイオード29とを備えている。同一のユニットセル21に含まれる2つの読み出しトランジスタ28のゲートはそれぞれ読み出し信号線RD1、RD2に接続され、ドレインが対応する画素25内におけるフォトダイオード29のアノードに接続されている。フォトダイオード29のカソードは接地されている。   Next, the configuration of the unit cell 21 will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a circuit diagram of one unit cell 21 in FIG. As illustrated, the unit cell 21 includes two pixels 25 and 25 and one signal output unit 27. Each of the pixels 25 includes a read transistor 28 and a photodiode 29. The gates of the two readout transistors 28 included in the same unit cell 21 are connected to the readout signal lines RD1 and RD2, respectively, and the drain is connected to the anode of the photodiode 29 in the corresponding pixel 25. The cathode of the photodiode 29 is grounded.

信号出力部26は、増幅トランジスタ30、アドレストランジスタ31、及びリセットトランジスタ32を備えている。増幅トランジスタ30は、ゲートが2つの画素25におけるトランジスタ28のソースに接続され、ソースが垂直信号線22に接続され、ドレインがトランジスタ31のソースに接続されている。アドレストランジスタ31は、ゲートがアドレス信号線ADに接続され、ドレインが電源電位VDDに接続されている。リセットトランジスタ32は、ゲートがリセット信号線RSに接続され、ソースが2つの画素25におけるトランジスタ28のソースに接続され、ドレインが電源電位VDDに接続されている。すなわち、2つの画素25によって1つの信号出力部26が共有されている。   The signal output unit 26 includes an amplification transistor 30, an address transistor 31, and a reset transistor 32. The amplification transistor 30 has a gate connected to the source of the transistor 28 in the two pixels 25, a source connected to the vertical signal line 22, and a drain connected to the source of the transistor 31. The address transistor 31 has a gate connected to the address signal line AD and a drain connected to the power supply potential VDD. The reset transistor 32 has a gate connected to the reset signal line RS, a source connected to the sources of the transistors 28 in the two pixels 25, and a drain connected to the power supply potential VDD. That is, one signal output unit 26 is shared by the two pixels 25.

図9は図8に示すユニットセル21の平面図である。図示するように、2つのフォトダイオード29が第1方向に沿って配置されている。2つのフォトダイオード29間には信号出力部26を第1方向に沿って挟むようにしてトランジスタ28が設けられ、トランジスタ28のゲート33が第1方向に直交する第2方向に沿って形成されている。なお図9では信号出力部26の詳細の図示を省略している。   FIG. 9 is a plan view of the unit cell 21 shown in FIG. As shown in the drawing, two photodiodes 29 are arranged along the first direction. A transistor 28 is provided between the two photodiodes 29 so as to sandwich the signal output unit 26 along the first direction, and a gate 33 of the transistor 28 is formed along a second direction orthogonal to the first direction. In FIG. 9, the details of the signal output unit 26 are omitted.

図10は図9におけるX3−X3’線に沿った方向の断面図である。断面構成は第1の実施形態とほぼ同様である。すなわち図示するように、半導体基板40の表面内には複数のフォトダイオード29が設けられている。隣接するフォトダイオード間の半導体基板40上には、ゲート絶縁膜を介在して2つのトランジスタ28のゲート電極33が設けられている。また隣接するゲート電極33間の半導体基板40内には、2つのトランジスタ28のソース領域41が設けられている。なお図10では信号出力部26の図示を省略している。そして、上記フォトダイオード29及びトランジスタ28を被覆するようにして、半導体基板40上に絶縁膜42が設けられている。絶縁膜42上には、各画素25に対応するようにしてマイクロレンズ34が設けられている。従って、1つのユニットセル21あたり2つのマイクロレンズ34が含まれる。   FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line X3-X3 'in FIG. The cross-sectional configuration is substantially the same as in the first embodiment. That is, as shown in the drawing, a plurality of photodiodes 29 are provided in the surface of the semiconductor substrate 40. On the semiconductor substrate 40 between adjacent photodiodes, the gate electrodes 33 of the two transistors 28 are provided with a gate insulating film interposed therebetween. Further, the source regions 41 of the two transistors 28 are provided in the semiconductor substrate 40 between the adjacent gate electrodes 33. In FIG. 10, the signal output unit 26 is not shown. An insulating film 42 is provided on the semiconductor substrate 40 so as to cover the photodiode 29 and the transistor 28. Microlenses 34 are provided on the insulating film 42 so as to correspond to the respective pixels 25. Accordingly, two microlenses 34 are included per unit cell 21.

本実施形態に係る固体撮像装置の備えるマイクロレンズ34は、その頂点P3(焦点F3)と、底面の中心C3との間に、第1の実施形態と同様の関係を有している。すなわち、マイクロレンズ34の頂点P3、すなわち焦点F3は、マイクロレンズ34の底面の中央C3を含む垂線からd9だけ、ゲート電極33から遠ざかるようにずれた位置に存在する。更に言い換えれば、図10に示すようにマイクロレンズ34は、左右非対称の断面形状を有している。   The microlens 34 included in the solid-state imaging device according to the present embodiment has the same relationship as that of the first embodiment between the apex P3 (focal point F3) and the center C3 of the bottom surface. That is, the apex P3 of the microlens 34, that is, the focal point F3, is located at a position shifted from the gate electrode 33 by d9 from the perpendicular line including the center C3 of the bottom surface of the microlens 34. In other words, as shown in FIG. 10, the microlens 34 has an asymmetric cross-sectional shape.

次に上記構成の固体撮像装置の動作について簡単に説明する。まず受光部20においていずれかのユニットセル21が選択される。この選択動作は、垂直方向選択回路13の出力するアドレス信号ADによっていずれかのユニットセル21におけるアドレストランジスタ31がオン状態とされ、且ついずれかの垂直信号線22に接続されるロードトランジスタ23がオン状態とされることによって行われる。   Next, the operation of the solid-state imaging device having the above configuration will be briefly described. First, any unit cell 21 is selected in the light receiving unit 20. In this selection operation, the address transistor 31 in any unit cell 21 is turned on by the address signal AD output from the vertical direction selection circuit 13, and the load transistor 23 connected to any vertical signal line 22 is turned on. It is done by being in a state.

また、垂直信号線22を一定の基準電位とするリセット動作が行われる。リセット動作は、垂直方向選択回路13によってリセット信号RSがアサートされることにより、選択された単位画素内のリセットトランジスタ32がオン状態とされることで行われる。リセットトランジスタ32がオン状態になると、トランジスタ32の電流経路を介して増幅トランジスタ30のゲートにVDDが与えられ、トランジスタ30はオン状態となる。すると、アドレストランジスタ31がオン状態であるから、電源電位VDDからトランジスタ31、30の電流経路を介して垂直信号線22に達するパスによって、垂直信号線22は一定の基準電位とされる。   In addition, a reset operation is performed in which the vertical signal line 22 is set to a constant reference potential. The reset operation is performed by turning on the reset transistor 32 in the selected unit pixel when the vertical direction selection circuit 13 asserts the reset signal RS. When the reset transistor 32 is turned on, VDD is supplied to the gate of the amplification transistor 30 through the current path of the transistor 32, and the transistor 30 is turned on. Then, since the address transistor 31 is in the on state, the vertical signal line 22 is set to a constant reference potential by a path reaching the vertical signal line 22 from the power supply potential VDD through the current paths of the transistors 31 and 30.

そして、垂直方向選択回路13は、読み出し信号線RD1、RD2のいずれかを選択する。すると、選択された読み出し信号線RD1、RD2のいずれかに接続された読み出しトランジスタ28がオン状態となる。従って、トランジスタ28がオン状態とされた画素25においては、フォトダイオード29において入射光に応じて発生した電荷がトランジスタ28の電流経路を介して増幅トランジスタ30のゲートに達する。その結果、フォトダイオード29における光電変換の結果に応じて垂直信号線22の電位が変動する。つまり、フォトダイオード29で得られた電荷に応じて、画像信号が垂直信号線22に与えられる。そして画像信号は、クランプ回路11、サンプルホールド回路12及び読み出し用トランジスタ24を介して出力ノードOUTに読み出される。   Then, the vertical direction selection circuit 13 selects one of the read signal lines RD1 and RD2. Then, the read transistor 28 connected to one of the selected read signal lines RD1 and RD2 is turned on. Accordingly, in the pixel 25 in which the transistor 28 is turned on, the electric charge generated according to the incident light in the photodiode 29 reaches the gate of the amplification transistor 30 through the current path of the transistor 28. As a result, the potential of the vertical signal line 22 varies according to the result of photoelectric conversion in the photodiode 29. That is, an image signal is given to the vertical signal line 22 in accordance with the charge obtained by the photodiode 29. The image signal is read out to the output node OUT via the clamp circuit 11, the sample hold circuit 12, and the readout transistor 24.

上記のように、本実施形態に係る固体撮像装置であると、第1の実施形態で説明した(1)の効果が得られる。この効果(1)は、本実施形態のように信号出力部26を複数の画素で共用する場合に特に顕著に得られる。図9及び図10に示すように、信号出力部26を2つの画素25で共用する場合、2つの画素25の間にトランジスタ28及び信号出力部26が配置される。従って画素25毎の形状は、図10に示す方向において左右非対称となり、画素25の一端側にゲート電極33が位置するパターンとなる。従って、画素25の中心(すなわちマイクロレンズ5の中心)の位置はフォトダイオード29の中心の位置と異なり、入射光はゲート電極33に遮られやすい。   As described above, the solid-state imaging device according to this embodiment can achieve the effect (1) described in the first embodiment. This effect (1) is particularly remarkable when the signal output unit 26 is shared by a plurality of pixels as in the present embodiment. As shown in FIGS. 9 and 10, when the signal output unit 26 is shared by the two pixels 25, the transistor 28 and the signal output unit 26 are disposed between the two pixels 25. Accordingly, the shape of each pixel 25 is asymmetrical in the direction shown in FIG. 10 and is a pattern in which the gate electrode 33 is located on one end side of the pixel 25. Therefore, the position of the center of the pixel 25 (that is, the center of the microlens 5) is different from the position of the center of the photodiode 29, and incident light is likely to be blocked by the gate electrode 33.

しかし本実施形態であると、フォトダイオード29上に入射光を集光するマイクロレンズ34底面に対する水平方向において、該マイクロレンズ34の頂点P3が底面の中心C3とずれた位置にある。従って、入射光がゲート電極に遮られることを防止し、第1の実施形態で説明したように固体撮像装置の光感度の低下を抑制出来る。   However, in the present embodiment, in the horizontal direction with respect to the bottom surface of the microlens 34 that collects incident light on the photodiode 29, the apex P3 of the microlens 34 is at a position shifted from the center C3 of the bottom surface. Therefore, it is possible to prevent the incident light from being blocked by the gate electrode, and to suppress a decrease in light sensitivity of the solid-state imaging device as described in the first embodiment.

次にこの発明の第4の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態は上記第3の実施形態において、1つのユニットセル21が4つの画素25を含み、また受光部20が読み出し信号線RD1、RD2の他にRD3、RD4を含むものである。読み出し信号線RD1〜RD4は垂直方向選択回路によって選択される。図11は本実施形態に係る固体撮像装置が備えるユニットセル21の回路図である。   Next, a solid-state imaging device according to a fourth embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, one unit cell 21 includes four pixels 25 in the third embodiment, and the light receiving unit 20 includes RD3 and RD4 in addition to the read signal lines RD1 and RD2. Read signal lines RD1 to RD4 are selected by a vertical direction selection circuit. FIG. 11 is a circuit diagram of the unit cell 21 included in the solid-state imaging device according to this embodiment.

図示するようにユニットセル21は、4つの画素25−1〜25−4と1つの信号出力部26とを備えている。画素25−1〜25−4及び信号出力部26の構成は第3の実施形態で説明したとおりである。信号出力部26は、4つの画素25−1〜25−4によって共用されている。従って、4つの画素25−1〜25−4の各々に含まれる読み出しトランジスタ28のソースは、信号出力部26における増幅トランジスタ30のゲート及びリセットトランジスタ32のソースに共通接続される。また4つの画素25−1〜25−4の各々に含まれる読み出しトランジスタ28のゲートは、それぞれ読み出し信号線RD1〜RD4に接続される。読み出し信号線RD1〜RD4は、アドレス信号線AD及びリセット信号線RSと同様に垂直方向選択回路13によって選択される。以上の構成において、画素25−1〜25−4は図示せぬカラーフィルタを備え、それぞれ緑(Gr)、赤(R)、青(B)、緑(Gb)の入射光を検出する。   As illustrated, the unit cell 21 includes four pixels 25-1 to 25-4 and one signal output unit 26. The configurations of the pixels 25-1 to 25-4 and the signal output unit 26 are as described in the third embodiment. The signal output unit 26 is shared by the four pixels 25-1 to 25-4. Therefore, the source of the readout transistor 28 included in each of the four pixels 25-1 to 25-4 is commonly connected to the gate of the amplification transistor 30 and the source of the reset transistor 32 in the signal output unit 26. The gates of the read transistors 28 included in the four pixels 25-1 to 25-4 are connected to the read signal lines RD1 to RD4, respectively. The read signal lines RD1 to RD4 are selected by the vertical direction selection circuit 13 similarly to the address signal line AD and the reset signal line RS. In the above configuration, the pixels 25-1 to 25-4 include color filters (not shown), and detect incident light of green (Gr), red (R), blue (B), and green (Gb), respectively.

図12は、本実施形態に係る4つのユニットセル21の平面図であり、図13は図12におけるX4−X4’線に沿った断面図である。図示するように、1つのユニットセル21内には4つの画素25−1〜25−4が(2×2)のマトリクス状に配置されており、受光部20において奇数列に画素25−1、25−3が並び、偶数列に画素25−2、25−4が並んでいる。また同一ユニットセル21内において第1方向で隣接する画素25−1と25−2、及び画素25−3と25−4は、互いの読み出しトランジスタ28同士が近接するように配置されている。そして、各画素25−1〜25−4毎に、上記第3の実施形態で説明したマイクロレンズ34が設けられている。第3の実施形態で説明したとおり、マイクロレンズ34はその頂点P3と焦点F3とを結ぶ直線が、マイクロレンズ34底面の中心C3から間隔d9だけずれた異なる位置にある。   FIG. 12 is a plan view of four unit cells 21 according to the present embodiment, and FIG. 13 is a cross-sectional view taken along line X4-X4 'in FIG. As shown in the figure, four pixels 25-1 to 25-4 are arranged in a (2 × 2) matrix in one unit cell 21, and pixels 25-1 are arranged in odd columns in the light receiving unit 20. 25-3 are arranged, and pixels 25-2 and 25-4 are arranged in the even-numbered columns. In the same unit cell 21, the pixels 25-1 and 25-2 and the pixels 25-3 and 25-4 adjacent in the first direction are arranged so that the read transistors 28 are close to each other. The micro lens 34 described in the third embodiment is provided for each of the pixels 25-1 to 25-4. As described in the third embodiment, in the microlens 34, the straight line connecting the apex P3 and the focal point F3 is at a different position shifted from the center C3 of the bottom surface of the microlens 34 by the distance d9.

上記構成の固体撮像装置であると、受光部20において奇数列にある画素25−1、25−3のフォトダイオード29、及び偶数列にある画素25−2、25−4のフォトダイオード29は、各画素25−1〜25−4内において、対応する信号出力部26から離隔するように配置されている。そして各画素に対応するマイクロレンズ34の頂点P3は、隣接する画素と中心C3を挟んで第1方向に沿って対向するように位置する。従って図12の例であると、受光部20において各画素25−1、25−3に対応するマイクロレンズ34の頂点P3は、中心C3よりも右側に位置し、且つこれらは第2方向に沿って同一列に位置する。また、各画素25−2、25−4に対応するマイクロレンズ34の頂点P3は、中心C3よりも左側に位置し、且つこれらは第2方向に沿って同一列に位置する。   In the solid-state imaging device having the above-described configuration, the photodiodes 29 of the pixels 25-1 and 25-3 in the odd columns and the photodiodes 29 of the pixels 25-2 and 25-4 in the even columns in the light receiving unit 20 In each of the pixels 25-1 to 25-4, it is arranged so as to be separated from the corresponding signal output unit 26. The apex P3 of the microlens 34 corresponding to each pixel is located so as to face the adjacent pixel along the first direction with the center C3 interposed therebetween. Accordingly, in the example of FIG. 12, the vertex P3 of the microlens 34 corresponding to each of the pixels 25-1 and 25-3 in the light receiving unit 20 is located on the right side of the center C3, and these are along the second direction. Located in the same column. Further, the apex P3 of the microlens 34 corresponding to each of the pixels 25-2 and 25-4 is located on the left side of the center C3, and these are located in the same column along the second direction.

以上のような固体撮像装置であっても、上記第1、第3の実施形態で説明した(1)の効果が得られる。   Even in the above-described solid-state imaging device, the effect (1) described in the first and third embodiments can be obtained.

次にこの発明の第5の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態は、上記第1、第2の実施形態で説明したマイクロレンズ5を、特願2005−118752号に適用したものである。図14は固体撮像装置の備える受光部の平面図である。   Next, a solid-state imaging device according to a fifth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the microlens 5 described in the first and second embodiments is applied to Japanese Patent Application No. 2005-118752. FIG. 14 is a plan view of a light receiving unit included in the solid-state imaging device.

本実施形態に係る固体撮像装置は、第3の実施形態で説明した図7乃至図9の構成において、読み出しトランジスタ28のゲート33の位置を変えたものである。図14は本実施形態に係る固体撮像装置の受光部20の平面図である。図示するように、受光部20においては複数個の画素25がマトリクス状に配置されている。   The solid-state imaging device according to the present embodiment is obtained by changing the position of the gate 33 of the read transistor 28 in the configuration of FIGS. 7 to 9 described in the third embodiment. FIG. 14 is a plan view of the light receiving unit 20 of the solid-state imaging device according to the present embodiment. As illustrated, in the light receiving unit 20, a plurality of pixels 25 are arranged in a matrix.

図示するようにユニットセル21は、上記第3の実施形態において説明した図9と同様の構成を有しており、第1方向で隣接する2つの画素25を含んでいる。受光部20において複数の画素25は、奇数列にあるユニットセル21が偶数列にあるユニットセル21と画素1個分だけずれるように、市松状に配置されている。そしてあるユニットセル21内の信号出力部26は、当該ユニットセル21内の2つの画素25間から、第2方向で隣接する2つのユニットセル21間にわたって配置されている。   As shown in the figure, the unit cell 21 has the same configuration as that of FIG. 9 described in the third embodiment, and includes two pixels 25 adjacent in the first direction. In the light receiving unit 20, the plurality of pixels 25 are arranged in a checkered pattern so that the unit cells 21 in the odd columns are shifted from the unit cells 21 in the even columns by one pixel. The signal output unit 26 in a certain unit cell 21 is arranged from between two pixels 25 in the unit cell 21 to between two unit cells 21 adjacent in the second direction.

つまり、図14において奇数列にあり且つゲート33がフォトダイオード29の下方にある画素25に第2方向で隣接する画素25では、ゲート33はフォトダイオード29の上方にある。逆に奇数列にあり且つゲート33がフォトダイオード29の上方にある画素25に第2方向で隣接する画素25では、ゲート33はフォトダイオード29の下方にある。   That is, in the pixel 25 adjacent to the pixel 25 in the odd direction in FIG. 14 and having the gate 33 below the photodiode 29 in the second direction, the gate 33 is above the photodiode 29. On the contrary, in the pixel 25 adjacent to the pixel 25 in the odd direction and having the gate 33 above the photodiode 29 in the second direction, the gate 33 is below the photodiode 29.

以上のような構成においても、第3の実施形態で説明したマイクロレンズ34を用いることが出来る。すると、第2方向で隣接する画素25のゲート33は、画素25の中心を挟んで第1方向に互い違いに配置されているので、マイクロレンズ34の頂点P3すなわち焦点F3の位置も、第2方向で隣接する画素25間で、第1方向に互い違いとなる。本実施形態に係る構成であっても、上記第1、第3の実施形態で説明した(1)の効果が得られる。   Even in the configuration described above, the microlens 34 described in the third embodiment can be used. Then, since the gates 33 of the pixels 25 adjacent in the second direction are alternately arranged in the first direction across the center of the pixel 25, the position of the vertex P3 of the microlens 34, that is, the focal point F3 is also the second direction. In the first direction between the adjacent pixels 25. Even with the configuration according to the present embodiment, the effect (1) described in the first and third embodiments can be obtained.

次にこの発明の第6の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態は、受光部内の位置に応じてマイクロレンズの曲率を変化させることによって、固体撮像装置の光感度を向上させるものである。   Next, a solid-state imaging device according to a sixth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the light sensitivity of the solid-state imaging device is improved by changing the curvature of the microlens according to the position in the light receiving unit.

固体撮像装置の構成は、第1の実施形態で説明した図7のとおりである。図15は受光部20の断面構成と、マイクロレンズの曲率を示す図である。図示するように、フォトダイオード29の上方には絶縁膜42を介在してマイクロレンズ43が画素毎に設けられている。各マイクロレンズ43における光の入射面の曲率はマイクロレンズ43毎に一定である。また各マイクロレンズ43の曲率は、受光部20の中央において最も高く、端部に行くに従って低くなっていく。なお図15においては、図面の簡単化のためゲート電極33の図示は省略した。   The configuration of the solid-state imaging device is as shown in FIG. 7 described in the first embodiment. FIG. 15 is a diagram showing a cross-sectional configuration of the light receiving unit 20 and the curvature of the microlens. As shown in the drawing, a microlens 43 is provided for each pixel above the photodiode 29 with an insulating film 42 interposed therebetween. The curvature of the light incident surface in each microlens 43 is constant for each microlens 43. In addition, the curvature of each microlens 43 is highest at the center of the light receiving unit 20 and decreases toward the end. In FIG. 15, the gate electrode 33 is not shown for simplification of the drawing.

本構成であると、下記(3)の効果が得られる。
(3)固体撮像装置の光感度の低下を抑制出来る(その3)。
本実施形態に係る構成であると、入射光は受光面20の端部においても効率よくフォトダイオード29に入射するため、固体撮像装置の光感度の低下を抑制出来る。以下、本効果について、図16を用いて受光面の中央と端部とでマイクロレンズ43の曲率が一定である場合と比較しつつ説明する。図16は受光部20の断面図である。
With this configuration, the following effect (3) can be obtained.
(3) A decrease in light sensitivity of the solid-state imaging device can be suppressed (part 3).
With the configuration according to the present embodiment, incident light efficiently enters the photodiode 29 even at the end of the light receiving surface 20, so that it is possible to suppress a decrease in light sensitivity of the solid-state imaging device. Hereinafter, this effect will be described using FIG. 16 while comparing with the case where the curvature of the microlens 43 is constant at the center and the end of the light receiving surface. FIG. 16 is a cross-sectional view of the light receiving unit 20.

図示するようにマイクロレンズ105は、受光部20内の全領域において同一の曲率を有している。従って、マイクロレンズ43の焦点距離(マイクロレンズ43表面から焦点F101までの距離)は、受光部の中央及び端部で同一である。また入射光は受光部の中央ではマイクロレンズ105に対して垂直に入射するが、端部ではマイクロレンズ105に対して斜めに入射する。すると、例えばマイクロレンズ105の焦点距離が受光部の中央部においてフォトダイオード102の表面に像を結ぶように設計されている場合、受光部の中央部から離れるに従って焦点F101はフォトダイオード102表面から大きく離れる。その結果、入射光の一部はフォトダイオード102に入射せず、固体撮像装置の光感度低下の原因となる。   As shown in the figure, the microlens 105 has the same curvature in the entire region within the light receiving unit 20. Accordingly, the focal length of the microlens 43 (the distance from the surface of the microlens 43 to the focal point F101) is the same at the center and the end of the light receiving unit. Incident light is incident on the microlens 105 perpendicularly at the center of the light receiving unit, but is incident obliquely on the microlens 105 at the end. Then, for example, when the focal length of the microlens 105 is designed to form an image on the surface of the photodiode 102 at the center of the light receiving unit, the focal point F101 increases from the surface of the photodiode 102 as the distance from the center of the light receiving unit increases. Leave. As a result, part of the incident light does not enter the photodiode 102, causing a decrease in light sensitivity of the solid-state imaging device.

これに対して本実施形態であると、図15に示すように受光部20の中央部から離れるに従ってマイクロレンズ43の曲率が小さくされている。換言すれば、受光部20の中央部から離れるに従い、マイクロレンズ43の焦点距離(マイクロレンズ43から焦点F4までの距離)が長くなる。そのため、受光部20の端部においてもマイクロレンズ43の焦点F4はフォトダイオード29表面に位置する。よって、入射光は効率的にフォトダイオード29に入射するので、固体撮像装置の光感度を向上出来る。   On the other hand, in this embodiment, as shown in FIG. 15, the curvature of the microlens 43 is reduced as the distance from the center of the light receiving unit 20 increases. In other words, the focal length of the microlens 43 (the distance from the microlens 43 to the focal point F4) increases as the distance from the center of the light receiving unit 20 increases. Therefore, the focal point F <b> 4 of the microlens 43 is located on the surface of the photodiode 29 also at the end of the light receiving unit 20. Therefore, since the incident light efficiently enters the photodiode 29, the light sensitivity of the solid-state imaging device can be improved.

次にこの発明の第7の実施形態に係る固体撮像装置について説明する。本実施形態は、上記第1乃至第5の実施形態と上記第6の実施形態とを組み合わせたものである。図17は固体撮像装置の受光部20の一部領域の断面図である。図17でも図面の簡単化のため、ゲート電極33及び金属配線層6の一部の図示を省略している。   Next, a solid-state imaging device according to a seventh embodiment of the present invention will be described. The present embodiment is a combination of the first to fifth embodiments and the sixth embodiment. FIG. 17 is a cross-sectional view of a partial region of the light receiving unit 20 of the solid-state imaging device. Also in FIG. 17, illustration of a part of gate electrode 33 and the metal wiring layer 6 is abbreviate | omitted for simplification of drawing.

図示するように、本実施形態に係る固体撮像装置の備えるマイクロレンズ44は、マイクロレンズ44毎に一定の曲率を有し、且つ受光部20の中央から端部に行くに従って曲率は小さくなっていく。また第1乃至第5の実施形態で説明したように、マイクロレンズ44の頂点P5と底面の中心C5は水平方向において異なる位置にある。   As shown in the figure, the microlens 44 included in the solid-state imaging device according to the present embodiment has a certain curvature for each microlens 44 and the curvature decreases from the center to the end of the light receiving unit 20. . As described in the first to fifth embodiments, the vertex P5 of the microlens 44 and the center C5 of the bottom surface are at different positions in the horizontal direction.

本実施形態に係る構成であると、上記第1乃至第3の実施形態で説明した(1)、(2)の効果と、第6の実施形態で説明した(3)の効果を併せて得られる。   With the configuration according to this embodiment, the effects (1) and (2) described in the first to third embodiments and the effect (3) described in the sixth embodiment are obtained together. It is done.

上記のように、この発明の第1乃至第5の実施形態に係る固体撮像装置によれば、フォトダイオードへの入射光を集光するマイクロレンズは、その入射面の曲率が一定とされ、且つ頂点は該マイクロレンズの水平方向において底面の中心とずれた位置にある。従って、マイクロレンズは画素の中心からずれた位置に焦点を有する。そのため、入射光がゲート電極等によって遮られることを防止出来、固体撮像装置の光感度の低下を抑制出来る。   As described above, according to the solid-state imaging device according to the first to fifth embodiments of the present invention, the microlens that collects the incident light on the photodiode has a constant curvature of the incident surface, and The apex is at a position shifted from the center of the bottom surface in the horizontal direction of the microlens. Therefore, the microlens has a focal point at a position shifted from the center of the pixel. Therefore, it is possible to prevent the incident light from being blocked by the gate electrode or the like, and it is possible to suppress a decrease in light sensitivity of the solid-state imaging device.

また第6、第7の実施形態に係る固体撮像装置によれば、マイクロレンズの曲率を受光部の中央において大きく端部において小さくしている。その結果、マイクロレンズに対して光が斜めに入射する受光部端部においても光はフォトダイオードに効率良く入射する。よって、固体撮像装置の光感度の低下を抑制出来る。   Further, according to the solid-state imaging devices according to the sixth and seventh embodiments, the curvature of the microlens is large at the center of the light receiving unit and small at the end. As a result, the light is efficiently incident on the photodiode even at the end of the light receiving portion where the light is obliquely incident on the microlens. Therefore, it is possible to suppress a decrease in light sensitivity of the solid-state imaging device.

なお上記第1乃至第7の実施形態において、曲率が「一定」なる文言は、例えば次のような誤差を許容するものである。図18はマイクロレンズの断面図であり、入射光が集光される様子を示している。まずマイクロレンズ50が光軸OP1に対して左右対称(曲率R)であったとすると(CASE1)、マイクロレンズ50の左側及び右側の焦点距離は共にfである。従って、理想光学系を仮定すれば、マイクロレンズ50からフォトダイオード51に射出された光線は一点で交わる。この点が焦点F6である。   In the first to seventh embodiments, the phrase “curvature” has the following error, for example. FIG. 18 is a cross-sectional view of the microlens, showing how incident light is collected. First, if the microlens 50 is symmetrical (curvature R) with respect to the optical axis OP1 (CASE1), the left and right focal lengths of the microlens 50 are both f. Therefore, assuming an ideal optical system, the light beams emitted from the microlens 50 to the photodiode 51 intersect at one point. This point is the focal point F6.

しかしマイクロレンズが光軸OP1に対して左右非対称であり、光軸OP1に対して左側の曲率がRで焦点距離がf、右側の曲率がR’で焦点距離がf’であったとする(CASE2)。すると、マイクロレンズ52で集光された光線は一点で交わらない。そのため、マイクロレンズ52の最も右側で集光された光と最も左側で集光された光とが交わる部分において、光線は幅xを持つことになる。この幅xは次式で表される。   However, it is assumed that the microlens is asymmetrical with respect to the optical axis OP1, the left curvature is R, the focal length is f, the right curvature is R ′, and the focal length is f ′ with respect to the optical axis OP1 (CASE2). ). Then, the light beams collected by the microlens 52 do not intersect at one point. Therefore, the light beam has a width x at a portion where the light collected on the rightmost side of the microlens 52 and the light collected on the leftmost side intersect. This width x is expressed by the following equation.

x=a・|f−f’|/(f+f’)
但しaはマイクロレンズ52の半径である。光が電磁波であることを考えると、そもそも光は波長程度の広がりを持つ。従って、この幅xが波長λ程度であれば実用上問題はないと考えられる。特に可視光センサの場合には、人間の視感度が最も高い555nmよりもxが小さければ、マイクロレンズ50の曲率が左右で異なる影響は小さい。すなわち、
x=a・|f−f’|/(f+f’)<λ(=555nm)
を満たすことが望ましい。勿論、λは固体撮像装置によって適宜選択することが出来る。なおマイクロレンズ52の曲率半径と焦点の関係式は次式で表される。
x = a · | f−f ′ | / (f + f ′)
Where a is the radius of the microlens 52. Considering that light is electromagnetic waves, light has a spread of about the wavelength in the first place. Therefore, if this width x is about the wavelength λ, it is considered that there is no practical problem. In particular, in the case of a visible light sensor, if x is smaller than 555 nm, which has the highest human visibility, the influence of the curvature of the microlens 50 on the left and right is small. That is,
x = a · | f−f ′ | / (f + f ′) <λ (= 555 nm)
It is desirable to satisfy. Of course, λ can be appropriately selected depending on the solid-state imaging device. The relational expression between the radius of curvature of the microlens 52 and the focal point is expressed by the following expression.

(1/f)=(nL−1)/R
但しnLはマイクロレンズ52の屈折率である。よって、次式が導かれる。
(1 / f) = (nL-1) / R
Here, nL is the refractive index of the microlens 52. Therefore, the following equation is derived.

x=a・|R−R’|/(R+R’)<λ(=555nm)
以上のような範囲であれば、上記実施形態における「曲率一定」に相当する。
x = a · | R−R ′ | / (R + R ′) <λ (= 555 nm)
The above range corresponds to “curvature constant” in the above embodiment.

またマイクロレンズは図19に示すようなシリンドリカルレンズ5であっても良い。更に、上記実施形態に係るマイクロレンズは図20に示すフォトマスクを用いて作製することが出来る。図20はフォトマスクの平面図と透過率を示している。図中において斜線部は光を遮る領域であり、白抜きで示した領域は光を透過する領域である。図示するようにフォトマスク60の透過率は、その両端においてが高く、且つ中央から一定幅だけずれた部分で最低となるように設計されている。このフォトマスク60を用いたマイクロレンズの作製方法について図21及び図22を用いて説明する。図21及び図22は本実施形態に係るマイクロレンズの作製工程を順次示す断面図である。   The microlens may be a cylindrical lens 5 as shown in FIG. Furthermore, the microlens according to the above embodiment can be manufactured using the photomask shown in FIG. FIG. 20 shows a plan view and transmittance of the photomask. In the figure, the shaded area is an area that blocks light, and the white area is an area that transmits light. As shown in the figure, the transmittance of the photomask 60 is designed to be high at both ends and lowest at a portion shifted from the center by a certain width. A method for manufacturing a microlens using the photomask 60 will be described with reference to FIGS. 21 and 22 are cross-sectional views sequentially showing the manufacturing process of the microlens according to the present embodiment.

まず図21に示すように、絶縁膜61上にフォトレジスト62を塗布する。そして、フォトマスク60を用いたフォトリソグラフィ技術によりフォトレジスト62を露光する。その結果フォトレジスト62は、フォトマスク60において透過率が高い領域に対応する部分では大きく除去され、透過率の低い領域に対応する部分では殆ど除去されない。すなわち図22に示すように、フォトレジスト62はその表面が、フォトマスク60の中央、すなわちレジスト62の中央から一定幅だけずれた領域に頂点を有する球面形状に加工される。この球面形状のレジスト62を、上記実施形態で説明したマイクロレンズとして用いる。   First, as shown in FIG. 21, a photoresist 62 is applied on the insulating film 61. Then, the photoresist 62 is exposed by a photolithography technique using the photomask 60. As a result, the photoresist 62 is largely removed in a portion corresponding to a region having a high transmittance in the photomask 60 and hardly removed in a portion corresponding to a region having a low transmittance. That is, as shown in FIG. 22, the surface of the photoresist 62 is processed into a spherical shape having a vertex in the center of the photomask 60, that is, in a region shifted by a certain width from the center of the resist 62. This spherical resist 62 is used as the microlens described in the above embodiment.

なお上記第3乃至第7の実施形態は、第2の実施形態のように金属配線層とゲートとを有する場合、または金属配線層を有するがゲートを有しない場合にも適用出来る。金属配線層とゲートとを有する場合、通常金属配線層はゲートよりも上層に設けられるため、より入射光を妨げやすい。従ってマイクロレンズの曲率はゲートよりも金属配線層を考慮して設計されることが望ましい。   The third to seventh embodiments can be applied to the case where the metal wiring layer and the gate are provided as in the second embodiment, or the case where the metal wiring layer is provided but the gate is not provided. In the case of having a metal wiring layer and a gate, the metal wiring layer is usually provided in an upper layer than the gate, so that incident light is more easily blocked. Therefore, it is desirable that the curvature of the microlens is designed in consideration of the metal wiring layer rather than the gate.

なお、本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Furthermore, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, the problem described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and the effect described in the column of the effect of the invention Can be extracted as an invention.

この発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の断面図。1 is a cross-sectional view of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention. この発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の平面図。1 is a plan view of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention. 従来の固体撮像装置の断面図。Sectional drawing of the conventional solid-state imaging device. この発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の断面図。Sectional drawing of the solid-state imaging device which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図4における一部領域の拡大図。The enlarged view of the partial area | region in FIG. この発明の第2の実施形態に係る固体撮像装置の平面図。The top view of the solid-state imaging device which concerns on 2nd Embodiment of this invention. この発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置のブロック図。The block diagram of the solid-state imaging device which concerns on 3rd Embodiment of this invention. この発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置の備えるユニットセルの回路図。The circuit diagram of the unit cell with which the solid-state imaging device which concerns on 3rd Embodiment of this invention is provided. この発明の第3の実施形態に係る固体撮像装置の備えるユニットセルの平面図。The top view of the unit cell with which the solid-state imaging device which concerns on 3rd Embodiment of this invention is provided. 図9におけるX3−X3’線に沿った断面図。Sectional drawing along the X3-X3 'line | wire in FIG. この発明の第4の実施形態に係る固体撮像装置の備えるユニットセルの回路図。The circuit diagram of the unit cell with which the solid-state imaging device which concerns on 4th Embodiment of this invention is provided. この発明の第4の実施形態に係る固体撮像装置の備える受光部の平面図。The top view of the light-receiving part with which the solid-state imaging device which concerns on 4th Embodiment of this invention is provided. 図12におけるX4−X4’線に沿った断面図。FIG. 13 is a cross-sectional view taken along line X4-X4 ′ in FIG. 12. この発明の第5の実施形態に係る固体撮像装置の備える受光部の平面図。The top view of the light-receiving part with which the solid-state imaging device which concerns on 5th Embodiment of this invention is provided. この発明の第6の実施形態に係る固体撮像装置の備える受光部の断面図。Sectional drawing of the light-receiving part with which the solid-state imaging device which concerns on 6th Embodiment of this invention is provided. 従来の固体撮像装置の断面図。Sectional drawing of the conventional solid-state imaging device. この発明の第7の実施形態に係る固体撮像装置の備える受光部の断面図。Sectional drawing of the light-receiving part with which the solid-state imaging device which concerns on 7th Embodiment of this invention is provided. この発明の第1乃至第7の実施形態に係る固体撮像装置及び従来の固体撮像装置の一部領域の断面図。Sectional drawing of the partial area | region of the solid-state imaging device which concerns on the 1st thru | or 7th Embodiment of this invention, and the conventional solid-state imaging device. この発明の第1乃至第7の実施形態の変形例に係る固体撮像装置の斜視図。The perspective view of the solid-state imaging device concerning the modification of the 1st thru | or 7th embodiment of this invention. この発明の第1乃至第5、第7の実施形態に係る固体撮像装置の備えるマイクロレンズの作製に使用するフォトマスクの平面図。The top view of the photomask used for preparation of the micro lens with which the solid-state imaging device concerning the 1st thru | or 5th, 7th embodiment of this invention is provided. この発明の第1乃至第5、第7の実施形態に係る固体撮像装置の備えるマイクロレンズの第1の製造方法の断面図。Sectional drawing of the 1st manufacturing method of the micro lens with which the solid-state imaging device which concerns on 1st thru | or 5th, 7th embodiment of this invention is provided. この発明の第1乃至第5、第7の実施形態に係る固体撮像装置の備えるマイクロレンズの第2の製造方法の断面図。Sectional drawing of the 2nd manufacturing method of the micro lens with which the solid-state imaging device which concerns on 1st thru | or 5th, 7th embodiment of this invention is provided.

符号の説明Explanation of symbols

1、40、101…半導体基板、2、51、102…フォトダイオード、3、33、103…ゲート電極、4、42、104…絶縁膜、5、34、43、44、50、52、105…マイクロレンズ、6…金属配線層、10…固体撮像装置、11…クランプ回路、12…サンプルホールド回路、13…垂直方向選択回路、14…水平方向選択回路、20…受光部、21…ユニットセル、22…垂直信号線、23、24、28、30〜32…MOSトランジスタ、25、25−1〜25−4…画素、26…信号出力部、29…ダイオード、60…フォトマスク、61…樹脂層、62…フォトレジスト   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 40, 101 ... Semiconductor substrate 2, 51, 102 ... Photodiode 3, 33, 103 ... Gate electrode 4, 42, 104 ... Insulating film 5, 34, 43, 44, 50, 52, 105 ... Microlens, 6 ... Metal wiring layer, 10 ... Solid-state imaging device, 11 ... Clamp circuit, 12 ... Sample hold circuit, 13 ... Vertical direction selection circuit, 14 ... Horizontal direction selection circuit, 20 ... Light receiving unit, 21 ... Unit cell, 22 ... Vertical signal lines, 23, 24, 28, 30 to 32 ... MOS transistors, 25, 25-1 to 25-4 ... Pixels, 26 ... Signal output section, 29 ... Diode, 60 ... Photomask, 61 ... Resin layer 62 ... Photoresist

Claims (5)

半導体基板上に設けられ、入射光を光電変換する光検出部を含む複数の画素と、
前記光検出部上に前記入射光を集光する複数のレンズと
を具備し、前記レンズは前記入射光の入射面において一定の曲率を有し、且つ前記レンズの前記入射面における頂点は、前記レンズの底面の中央と、前記底面に対して水平な方向において異なる位置にある
ことを特徴とする固体撮像装置。
A plurality of pixels provided on a semiconductor substrate and including a light detection unit that photoelectrically converts incident light;
A plurality of lenses for condensing the incident light on the light detection unit, the lens has a constant curvature at the incident surface of the incident light, and the vertex of the incident surface of the lens is the A solid-state imaging device, wherein the center of the bottom surface of the lens is different from the center of the lens in a direction horizontal to the bottom surface.
前記画素は、前記光検出部に隣接して設けられ且つ前記光検出部において前記入射光を光電変換して得られた電荷を読み出すスイッチ素子を更に含み、
隣接する前記画素は、互いの前記スイッチ素子が隣接するようにして配置され、
前記レンズは前記画素毎に設けられ、該レンズの頂点は、前記光検出部と前記スイッチ素子とが並ぶ方向において、該レンズの中心を挟んで前記スイッチ素子に対向するように位置する
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
The pixel further includes a switch element that is provided adjacent to the light detection unit and reads out electric charges obtained by photoelectrically converting the incident light in the light detection unit,
The adjacent pixels are arranged such that the switch elements are adjacent to each other,
The lens is provided for each pixel, and the apex of the lens is positioned so as to face the switch element across the center of the lens in a direction in which the light detection unit and the switch element are arranged. The solid-state imaging device according to claim 1.
前記半導体基板と前記レンズとの間に設けられた複数の金属配線層を更に備え、
前記レンズは前記画素毎に設けられ、該レンズの頂点は、前記光検出部の表面の中心を含む前記半導体基板表面に対する垂線を挟んで対向する2本の前記金属配線層のうち、前記半導体基板表面に対して水平な方向において、前記垂線に近い一方の前記金属配線層と前記垂線を挟んで対向するように位置する
ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
A plurality of metal wiring layers provided between the semiconductor substrate and the lens;
The lens is provided for each pixel, and the apex of the lens is the semiconductor substrate of the two metal wiring layers facing each other across a perpendicular to the surface of the semiconductor substrate including the center of the surface of the light detection unit. 2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is positioned so as to face one of the metal wiring layers close to the perpendicular with the perpendicular interposed therebetween in a direction horizontal to the surface.
複数の前記画素が二次元に配置された受光面の中央部に位置する前記レンズの曲率は、前記受光面の周辺部に位置する前記レンズの曲率よりも大きい
ことを特徴とする請求項1乃至3いずれか1項記載の固体撮像装置。
The curvature of the lens located in the central part of the light receiving surface in which the plurality of pixels are two-dimensionally arranged is larger than the curvature of the lens located in the peripheral part of the light receiving surface. 3. The solid-state imaging device according to any one of 3.
半導体基板上に設けられ、入射光を光電変換する光検出部を含む画素と、
複数の前記画素が二次元に配置された受光面と、
前記受光面上に設けられ、前記光検出部上に前記入射光を集光する複数のレンズと
を具備し、各々の前記レンズは、前記入射光が入射する入射面において一定の曲率を有し、且つ前記受光面の中央部に位置する前記レンズの曲率は、前記受光面の周辺部に位置する前記レンズの曲率よりも大きい
ことを特徴とする固体撮像装置。
A pixel provided on a semiconductor substrate and including a light detection unit that photoelectrically converts incident light;
A light receiving surface in which a plurality of the pixels are two-dimensionally arranged;
A plurality of lenses that are provided on the light receiving surface and collect the incident light on the light detection unit, and each of the lenses has a constant curvature on the incident surface on which the incident light is incident. The curvature of the lens located in the center of the light receiving surface is larger than the curvature of the lens located in the periphery of the light receiving surface.
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